基于單片機的MPPT太陽(yáng)能鋰電池充電器

　　太陽(yáng)能的綠色與可再生特性， 使其在低碳和能源緊缺的今日備受關(guān)注。鋰電池因比能量高、自放電低的特性， 逐漸取代鉛酸電池成為主流。由目前常用的太陽(yáng)能電池的輸出特性可知， 太陽(yáng)能電池在一定的光照度和溫度下， 既非恒流源， 亦非恒壓源， 其最大功率受負載影響。而鋰電池可看作一個(gè)小負載電壓源。如不加控制直接將二者連接， 則將太陽(yáng)能電池的工作電壓箝位于鋰電池工作電壓， 無(wú)法高效利用能源。

　　本文采用SPCE061 單片機， 利用MPPT 技術(shù)使太陽(yáng)能電池工作于最大功率點(diǎn)， 并且對鋰電池的充電過(guò)程進(jìn)行控制， 延長(cháng)鋰電池使用壽命， 保證充電安全。

　　1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)原理（ Maximum Power Point Tracking 簡(jiǎn)稱(chēng)MPPT）

　　太陽(yáng)能電池有著(zhù)非線(xiàn)性的光伏特性， 所以即使在同一光照強度下， 由于負載的不同也會(huì )輸出不同的功率。

　　其電壓、電流與功率在光照度1 kW/ m2 ， T = 25 ℃條件下的輸出曲線(xiàn)如圖1 所示。其短路電流isc 與開(kāi)路電壓uoc 由生產(chǎn)商給出， Pmpp為該條件下的最大功率點(diǎn)。

　　由于太陽(yáng)能電池受到光強、光線(xiàn)入射角度、溫度等多種因素的影響， 最大功率相應改變， 對應最大功率點(diǎn)的輸出電壓、輸出電流和內阻也在不停變化。因此， 需要使用基于PWM 的可調DC/ DC 變換器， 使負載相應改變， 才能使太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)上。

　　圖1 太陽(yáng)能電池的典型輸出曲線(xiàn)

　　2 電路工作原理

　　圖2 示出太陽(yáng)能充電器的原理框圖。其中微控制器采用凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的SPCE061A 單片機， 該單片機含有7 個(gè)10 位ADC（ 模-數轉換器） 并內置了PWM 功能， 大大簡(jiǎn)化電路復雜程度， 提高穩定性。電壓采樣電路與電流采樣電路通過(guò)ADC 將電壓值與電流值送入MCU， MCU 根據MPPT 算法計算PWM 控制BU CK電路完成對充電過(guò)程的控制。

　　圖2 整體充電器原理框圖

　　圖3 為BUCK 變換器電路。由MOSFET 管Q3、電感L1 與繼流二極管D1 構成典型的BUCK 降壓DC/ DC 變換器， Q1 和Q2 組成MOSFET 管驅動(dòng)電路， Uout 輸出至鋰電池正極。

　　圖3 BUCK 變換器電路

　　圖4 為電流采樣電路。Rsense 用一小阻值精密電阻作為采樣電阻， 通過(guò)將電阻兩端電壓使用差分放大器輸送到SPCE061 的A/ D 端進(jìn)行采樣。為使采樣精確， 避免電源線(xiàn)與地線(xiàn)干擾， 使用線(xiàn)性光耦HCNR200 進(jìn)行隔離。

　　圖4 電流采樣電路

　　圖5 所示為電壓采樣電路。因為SPCE061 的A/D 端輸入范圍為0~ 3 V， 而太陽(yáng)能電池的輸出常常高于3 V， 因此采用反向比例放大器， 使輸入與AD 采樣范圍相匹配。

　　圖5電壓采樣電路

　　3 系統軟件設計

　　在BUCK 上， 存在UarrD= Ubat 的關(guān)系。由此可知：

　　式中， Ubat 為電池兩端電壓； D 為占空比； Uarr 為太陽(yáng)能電池兩端電壓。將式（ 1） 代入式（ 2） 可得：

　　由圖1 可知， 當取最大功率點(diǎn)時(shí)， dP arr / dUarr = 0，代入式（ 3）、（ 4） 可知：

　　因此， 關(guān)于P/ D 的曲線(xiàn)為凸函數， 且當P 取最大值時(shí)有唯一D 值與之對應。

　　由于DC/ DC 變換器連接至鋰電池兩端的輸出電壓短時(shí)間內變化不大， 在短時(shí)間可認為恒定。因此， 該設計的最大功率點(diǎn)跟蹤可簡(jiǎn)化為通過(guò)PWM 調整電流至最大值， 即認為太陽(yáng)能電池的輸出功率達到最大。

　　由鋰電池充電特性可知， 為保證充電安全高效， 需采用預充、恒流、涓流的三段式充電。系統通過(guò)對鋰電池兩端電壓進(jìn)行檢測， 判斷充電狀態(tài)， 進(jìn)而采取相應的充電策略。

　　當光照強度降低， 程序判斷太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的功率小于系統自身開(kāi)銷(xiāo)時(shí)， 進(jìn)入休眠模式。

　　4 實(shí)驗結果與結論

　　根據以上原理及其電路圖所述， 所制作的MPPT太陽(yáng)能充電器與用二極管搭建的傳統太陽(yáng)能充電器測試數據對比如表1 所示。其中太陽(yáng)能電池采用華微公司生產(chǎn)的單晶太陽(yáng)能電池板， 其最大輸出功率15 W，開(kāi)路電壓17. 4 V; 鋰電池組采用4 串聯(lián)18650 型鋰電池， 充電截止電壓16. 8 V， 電池組容量10. 4 Ah。

　　表1 傳統充電器與MPPT充電器實(shí)驗數據對比

　　實(shí)驗結果表明， 傳統充電器的太陽(yáng)能電池利用率約為66 %， 而本方案的MPPT 充電器利用率約為97 %， 輸出功率有明顯的上升。通過(guò)SPCE061 單片機實(shí)現的帶有MPPT 功能的太陽(yáng)能充電器不僅大幅提高了太陽(yáng)能電池利用率， 并包含了三段式充電的智能充電策略， 在軟件模塊中加入了防止過(guò)充電的安全策略， 并且在光照強度大幅下降到低于系統開(kāi)銷(xiāo)的情況下自動(dòng)實(shí)現系統休眠。通過(guò)改進(jìn)算法， 設置更為精確的參數， 可以使充電效率進(jìn)一步提高。